JP5486896B2

JP5486896B2 - 透気性中詰め材の透気性確認試験方法及び透気性確認試験装置

Info

Publication number: JP5486896B2
Application number: JP2009247827A
Authority: JP
Inventors: 晃司木原; 龍平原; 勝義副島
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP2011095046A

Description

本発明は、エアモルタル等の透気性中詰め材の透気性確認試験方法及び透気性確認試験装置に関するものである。

例えば、ガス導管をトンネル内に配管する際に使用されるエアモルタル等の中詰め材は、ガス導管からの漏洩ガスを速やかに検知できるように良好な透気性が求められる。しかしながら、このような中詰め材の透気性を標準的に評価する指標は確立しておらず、各種成分の中詰め材に対して、適正な透気性を有するか否かを標準的な指標を基にして迅速に確認する試験方法が求められている。

下記特許文献１には、施工例の気泡コンクリートから直径５ｃｍ×高さ１０ｃｍの供試体を採取し、２０℃、湿度９０％以上の恒温槽の中で２８日間養生し、この供試体に一定の空気圧を作用させ、流入量と流出量が等しくなったときの流量を測定することにより、透気係数を求めること等が記載されている。

特開２００５−６０１８８号公報、第５頁第４０〜４７行

このような従来技術では、供試体の形成寸法誤差によって評価値に差が出てしまい、標準的な評価を行うことができない問題があり、また、流入量と流出量を等しくする調整に手間がかかり、迅速な評価を行うことができない問題があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、中詰め材の透気性を標準的に評価する指標を確立し、各種成分の中詰め材に対して、適正な透気性を有するか否かを標準的な指標を基にして迅速に確認することができる確認試験方法及び確認試験装置を提供すること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による透気性中詰め材の透気性確認試験方法及び透気性確認試験装置は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

試験対象の中詰め材によって、側面に気密樹脂を塗布した設定高さ（Ｌ）及び一定断面積（Ａ）を有する柱状供試体を形成し、該柱状供試体の開放された端面の一方から一定圧力の空気を流入させて、前記端面の他方を大気開放させながら、流入される空気の圧力（ｈ）と流量（Ｑ）を設定時間（ｔ）計測し、異なる前記圧力（ｈ）に対してそれぞれ計測された流量（Ｑ）によって、圧力勾配ｉと流速ｖとの関係で原点を通る直線回帰を行い、有意な直線近似が得られる前記圧力勾配の範囲で、前記圧力勾配と前記流速の直線回帰式における回帰係数によって柱状供試体の透気係数Ｋを決定することを特徴とする透気性中詰め材の透気性確認試験方法。
但し、
Ｌ：前記柱状供試体の高さ
Ａ：前記柱状供試体の断面積
ｈ：流入される空気の圧力
Ｑ：流入される空気の流量
ｔ：計測時間
ｉ：圧力勾配
ｖ：流速
とすると、ｖ＝Ｑ／（Ａ・ｔ），ｉ＝ｈ／Ｌ

試験対象の中詰め材によって形成され、側面に気密樹脂を塗布した設定高さ及び一定断面積を有する柱状供試体を、内部に支持する外枠と、前記柱状供試体の開放された端面の一方に空気を流入させる空気流入パイプの放出端を前記端面の一方に向けて支持すると共に前記外枠を支持する支持台と、前記空気流入パイプを流れる空気の流量を計測する流量センサと、前記空気流入パイプに流入される空気の圧力を計測する圧力センサと、前記空気流入パイプに空気を設定された一定圧力で流入し、設定圧力を可変調整できる空気供給装置とを備え、前記外枠の内部に所定高さ気密樹脂を充填することで前記柱状供試体の端面の他方を大気開放した状態で支持することを特徴とする透気性中詰め材の透気性確認試験装置。

このような特徴によると、中詰め材の透気性を標準的に評価する指標を確立し、各種成分の中詰め材に対して、適正な透気性を有するか否かを標準的な指標を基にして迅速に確認することができる。

本発明の一実施形態に係る透気性確認試験装置を示す説明図である。透気性確認試験におけるダルシー則の適用範囲を説明する説明図である。本発明の実施例を説明する説明図（圧力勾配ｉと流速ｖの回帰直線を示したグラフ）である。本発明の実施例を説明する説明図（圧力勾配ｉと流速ｖの回帰直線を示したグラフ）である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る透気性確認試験装置を示す説明図である。本発明の実施形態に係る透気性確認試験装置１は、試験対象の中詰め材によって形成される柱状供試体Ｍに対して透気性を確認するための試験装置である。ここで柱状供試体Ｍは、円形，楕円形，矩形等の一定断面を有する柱状に形成された供試体であり、一対の端面を開放状態にして、側面に気密樹脂Ｇ１を塗布したものである。ここで用いられる気密樹脂Ｇ１は、供試体内部への含浸が少ない高粘度の樹脂が適し、塗布のし易さや気密性の確保を考慮すると高粘度のエポキシ系樹脂が適する。

この透気性確認試験装置１は、外枠１０、支持台１１、空気流入パイプ１２、流量センサ２０、圧力センサ２１、空気供給装置３０等を備える。外枠１０は、内部に前述した柱状供試体Ｍを支持する部材であり、形状や材質は特に限定されないが、一例としては、透明なアクリル樹脂板を用い柱状供試体Ｍを囲むように形成することで、柱状供試体Ｍの状態を観察しながらの試験が可能になる。外枠１０の内部に柱状供試体Ｍを支持するには、例えば図示のように、外枠１０の内部に所定高さ気密樹脂Ｇ２を充填する。この場合の気密樹脂Ｇ２にもエポキシ系樹脂を用いることができる。柱状供試体Ｍの両端面ｍ１，ｍ２が開放されるように、柱状供試体Ｍの外側空間に気密樹脂Ｇ２を充填する。なお、何らかの他の手段で後述する支持台１１上に柱状供試体Ｍを支持できれば、外枠１０は省いても良い。

支持台１１は、柱状供試体Ｍの開放された端面の一方（ｍ１）に空気を流入させる空気流入パイプ１２の放出端１２ａを端面の一方（ｍ１）に向けて支持すると共に、外枠１０を支持するものである。図示の例では、外枠１０の内部に支持された柱状供試体Ｍの端面ｍ１が支持台１１上に面しており、この端面ｍ１に向かって空気流入パイプ１２の放出端１２ａが当接されている。

空気流入パイプ１２は柱状供試体Ｍの内部に空気を流入させるための流入経路であって、その流入経路の途中に流量センサ２０が配備され、その端部に圧力センサ２１が配備されている。また、必要に応じて、その途中経路にバルブ２２を配備する構成にしても良い。流量センサ２０は空気流入パイプ１２を流れる空気の流量を計測するためのものであり、圧力センサ２１は空気流入パイプ１２に流入される空気の圧力を計測するためのものである。

空気供給装置３０は、空気流入パイプ１２に空気を設定された一定圧力で流入することができるものであり、より標準化された試験結果を得るために、空気供給装置３０は設定圧力を可変調整できるものであることが好ましい。

また必要に応じて、外枠１０における支持台１１に支持される側と逆側の端部に蓋部材１３を設けても良い。柱状供試体Ｍの端面ｍ２は大気開放する必要があるので、蓋部材１３を設ける場合であっても、外枠１０の端部を気密に塞がないことが必要になり所定の通気性が得られるものが用いられる。

このような透気性確認試験装置１を用いた本発明の実施形態に係る透気性確認試験方法を以下に説明する。本発明の実施形態に係る透気性確認試験方法は、試験対象の中詰め材によって、前述した設定高さ（Ｌ）及び一定断面積（Ａ）を有する柱状供試体Ｍを形成し、柱状供試体Ｍの開放された端面の一方（ｍ１）から一定圧力の空気を流入させて、端面の他方（ｍ２）を大気開放させながら、流入される空気の圧力（ｈ）と流量（Ｑ）を設定時間（ｔ）計測し、下記式（１）によって透気係数Ｋを求める。

Ｋ＝（Ｌ／ｈ）×｛Ｑ／（Ａ・ｔ）｝ …… （１）
ここに、
Ｌ：前記柱状供試体の高さ
Ａ：前記柱状供試体の断面積
ｈ：流入される空気の圧力
Ｑ：流入される空気の流量
ｔ：計測時間

ここで、透気係数Ｋの単位をｃｍ／ｓｅｃとするためには、柱状供試体Ｍの高さＬの単位がｃｍであり、柱状供試体Ｍの断面積Ａの単位がｃｍ²であり、流入される空気の圧力ｈの単位が高さ変換されたｃｍであり、流入される空気の流量Ｑの単位が２０℃且つ１気圧の体積流量に換算されたｃｍ³であり、計測時間ｔがｓｅｃである。

より具体的には、図１に示すように、支持台１１上に柱状供試体Ｍを配置して、柱状供試体Ｍの端面ｍ１に空気流入パイプ１２の放出端１２ａを当接させ、空気流入パイプ１２から放出される空気が全て柱状供試体Ｍ内に流入するように、支持台１１と端面ｍ１の外周との気密性を確保し、バルブ２２を開放して、空気供給装置３０を作動させる。そして、圧力センサ２１で計測される圧力ｈ（ｃｍ）が一定の設定値を定常的に示していることを確認して、所定の計測時間ｔ（ｓｅｃ）の間の流量Ｑ（ｃｍ³）を流量センサ２０で計測する。そして、柱状供試体Ｍの諸元から得られるＬ（ｃｍ）とＡ（ｃｍ²）と計測によって得られたｈ（ｃｍ），Ｑ（ｃｍ³），ｔ（ｓｅｃ）によって、式（１）から透気係数Ｋ（ｃｍ／ｓｅｃ）を求める。

式（１）は、本来は圧縮性の流体である空気を非圧縮性流体として扱い、一定圧での透水係数を求めるダルシー則に基づいて導き出した式である。実際上は、空気は圧縮性流体であるから、全ての条件で式（１）の関係が当てはまることにはならないが、柱状供試体Ｍの外周を気密樹脂Ｇ１で覆うことで柱状供試体Ｍ内の空気の流れを一軸方向に限定させ、流入する空気の圧力を一定にすることで、ダルシー則が適用できる試験条件を得ることができる。すなわち、透気係数にダルシー則を適用したことだけでなく、柱状供試体Ｍの両端面を開放させ側面に気密樹脂を塗布すること、更にはこの柱状供試体Ｍの一端面から一定圧力の空気を流入させ他端面を大気開放することで、ダルシー則を適用できる試験条件を得たことが本発明の一つの特徴である。

また、ダルシー則を適用して柱状供試体Ｍの透気特性を求めるには、ダルシー則が適用可能範囲を見極める必要がある。柱状供試体Ｍ内での空気の流速をｖ（＝Ｑ／（Ａ・ｔ）），圧力勾配をｉ（＝ｈ／Ｌ）とすると、圧力勾配ｉと流速ｖとの関係は、図２に示すように、ダルシー則が成り立つと仮定すると原点を通る直線ａの関係になる。しかしながら、圧縮性流体である空気を透過媒体とする場合には、圧力勾配ｉが大きくなると、圧力勾配ｉと流速ｖとの関係が直線ａから外れた関係になる。例えば、空気の圧縮性が影響する条件では、圧力勾配ｉと流速ｖとの関係が図２の曲線ｂのような曲線関係となり、空気の流れが層流から乱流に遷移する条件では、圧力勾配ｉと流速ｖとの関係が図２の曲線ｃのような曲線関係になる。

したがって、ダルシー則を適用して柱状供試体Ｍの透気特性を求めるには、圧力勾配ｉと流速ｖとの関係が原点を通る直線関係にあることが前提になり、そのような関係にある計測値を基に式（１）を用いた透気係数Ｋを求めることが必要になる。

また、圧力ｈを変えて、異なる圧力ｈに対してそれぞれ計測された流量Ｑによって、圧力勾配ｉと流速ｖとの関係を求めることで、画一性のある透気係数Ｋを得ることができる。すなわち、異なる圧力ｈに対してそれぞれ計測された流量Ｑによって、圧力勾配ｉと流速ｖとの関係で原点を通る直線回帰を行い、有意な直線近似が得られる圧力勾配ｉの範囲で、圧力勾配ｉと流速ｖの直線回帰式を求め、この直線回帰式における回帰係数によって柱状供試体Ｍの透気係数Ｋを決定する。

圧力勾配ｉと流速ｖとの関係は、ダルシー則が適用できる範囲であれば、ｖ＝Ｋ・ｉ（Ｋ：透気係数）の関係になる。計測値から得られる複数組の（ｉ，ｖ）データによって、ｖ＝Ｋ・ｉの直線回帰を行い、その決定係数（相関係数）Ｒ²がより１に近くなるように計測データを選択する。前述したように、圧力勾配ｉが大きくなると（ｉ，ｖ）の関係が直線から外れる要因が増えるので、圧力勾配ｉの上限を定めて、その圧力勾配ｉの範囲で、（ｉ，ｖ）の直線回帰式における回帰係数を求め、この回帰係数を柱状供試体の透気係数Ｋとする。その際の圧力勾配ｉの範囲は、直線回帰式の決定係数Ｒ²が０．９０以上、更に好ましくは０．９５以上になるように計測値を選択する。

このように求めた透気係数Ｋは、供試体の大きさや計測時間の長さに影響されない標準的な値になる。また、単純に柱状供試体Ｍへ流入する空気の状態を計測するだけでよいから、計測が簡単であり、供試体の透気性に関して迅速な評価を行うことが可能になる。

柱状供試体Ｍの外周を気密樹脂Ｇ１で覆っているので、柱状供試体Ｍの側面から漏れ出る空気を防ぐことができ、柱状供試体Ｍの一軸方向の透気性のみに着目した試験結果が得られる。これによって、柱状供試体Ｍの形状の違いによる計測結果のばらつきを抑止することが可能になり、より標準化した透気性の評価を行うことができる。更には、外枠１０の内部に所定高さ気密樹脂Ｇ２を充填することで柱状供試体Ｍを支持しているので、柱状供試体Ｍの端面ｍ１周囲の気密性を確保しやすい構造になり、より精度の高い計測結果を得ることが可能になる。

なお、前述の説明では、図示の透気性確認試験装置１を用いた試験方法の例を説明したが、本発明の実施形態に係る透気性確認試験方法は、図示のような透気性確認試験装置１を用いた場合と同等の圧力（ｈ）と流量（Ｑ）が計測できれば、このような装置を用いなくても実施することができる。

本発明の実施形態に係る透気性確認試験方法を採用することで、ガス導管をトンネル内に配管する際に使用する中詰め材について、各種の成分の中詰め材に対して通気性を精度良く且つ高い再現性で評価することができる。これによって、中詰め材の品質を均一化することができ、その結果、配管後の気密試験において、保持時間を正確に且つ低コストで確定することができ、万が一配管からガス漏洩が発生した場合でも、ガスの検知を効率的に行うことが可能になる。このように本発明の実施形態によると、トンネル内配管の中詰め工法における標準化した性能評価方法を確立することができる。

以下に、本発明の透気性確認試験方法及び透気性確認試験装置の実施例を説明する。ここでは、エアモルタルを試験対象として、３つの供試体（供試体１，供試体２，供試体３）に対して、前述した透気性確認試験装置を用いた透気性確認試験を行った。試験条件を表１に示す。各供試体の寸法等を表２に示す。

［試験手順］
（１）供試体の整形及び設置
供試体は直径φ４９．９ｍｍの円柱状に整形し、端面は上下の平行度を保ちつつ、滑らかになるように整形する。整形後、供試体密度を測定する。整形した供試体の側面に高粘度エポキシ接着剤を塗る。高粘度エポキシ接着剤が硬化した後、供試体を図１に示す通気性確認試験装置１の支持台１１に設置し、気密樹脂Ｇ２として低粘度エポキシ接着剤を打設し支持台１１に供試体を密着する。

（２）透気量計測
空気供給装置３０を作動させて、圧力センサ２１の計測値が任意の圧力になるまで加圧し、流量センサ２０により毎分流量を測定する。圧力を数段階変化させて順次流量センサ２０により毎分流量を測定する。

（３）透気係数の計算
測定結果を基にして前述した式（１）によって供試体毎に各圧力に対応した透気係数Ｋを求める。ここで圧力センサの計測値をＰとすると、式（１）におけるｈ（ｃｍ）＝Ｐ（ｋＰａ）／０．０９８となる。
［試験結果］
供試体１〜３の試験結果を表３〜表５に示す。

［試験結果の整理］
式（１）の関係は、多孔質媒体中の非圧縮性流体の一次元流れに対して成り立つダルシー則が、空気を透過媒体とする場合にも成り立つことが前提になっている。しかしながら、圧縮性流体である空気を透過媒体とする場合には、その圧縮性や層流から乱流への遷移等によってダルシー則が適用できる条件は限られたものになる。

表３〜５に示した試験結果では、透気係数ｋの計算値（計測値０は除く）は、供試体１で０．６００〜１．２３３（ｃｍ／ｓ）、供試体２で０．５３０〜１．１７３（ｃｍ／ｓ）、供試体３で０．７４７〜１．４９０（ｃｍ／ｓ）と大きくばらついた値になっており、供試体の透過特性を評価する画一的な値になっていない。これは圧力変化の範囲がダルシー則を適用できる範囲を超えていることを意味している。ダルシー則が適用できる範囲では、圧力勾配ｉ（＝ｈ／Ｌ）と流速ｖ（＝Ｑ／（Ａ・ｔ））との関係は原点を通る直線上になる（ｖ＝ｋ・ｉ）。

表３〜５の試験結果から得られるｉ（ｘ）とｖ（ｙ）の原点を通る回帰直線（ｙ＝ｋ・ｘ）のグラフを図３に示す。図３に示した直線回帰式は、供試体１がｙ＝０．６７３４・ｘ（Ｒ²＝０．８７９９）、供試体２がｙ＝０．６０２３・ｘ（Ｒ²＝０．８８２）、供試体３がｙ＝０．８４８６・ｘ（Ｒ²＝０．８６９６）となるが、決定係数（相関係数）Ｒ²がそれほど高くない。圧力勾配ｉが高くなるほど圧力勾配ｉの上昇に対して流速ｖの上昇率が低くなって直線関係が崩れていることが判るので、これは層流から乱流への遷移の影響を受けていると考えられる。

これに対して、層流から乱流への遷移の影響を受けやすい（圧力勾配ｉが高い）計測値を取り除いて直線回帰を行った解析結果を図４に示す。このときの直線回帰式は、供試体１がｙ＝０．９９５８・ｘ（Ｒ²＝０．９３５７）、供試体２がｙ＝０．９１７６・ｘ（Ｒ²＝０．９４０２）、供試体３がｙ＝０．１．１５６３・ｘ（Ｒ²＝０．９７０１）となり、決定係数（相関係数）Ｒ²はいずれも高い値を示す。このように圧力勾配ｉと流速ｖの計測値を直線回帰した解析結果、決定係数が十分に高くなり有意な直線近似が得られる圧力勾配ｉの範囲を特定し、その範囲の計測値から求められた圧力勾配ｉと流速ｖの直線回帰式（ｖ＝Ｋ・ｉ）における回帰係数によって各供試体の透気係数Ｋを決定する。このように求めた供試体１，供試体２，供試体３の透気係数Ｋを表６に示す。

１：透気性確認試験装置，
１０：外枠，１１：支持台，１２：空気流入パイプ，１３：蓋部材，
２０：流量センサ，２１：圧力センサ，２２：バルブ，
３０：空気供給装置，
Ｍ：柱状供試体，Ｇ１，Ｇ２：気密樹脂（エポキシ系樹脂）

Claims

試験対象の中詰め材によって、側面に気密樹脂を塗布した設定高さ（Ｌ）及び一定断面積（Ａ）を有する柱状供試体を形成し、
該柱状供試体の開放された端面の一方から一定圧力の空気を流入させて、前記端面の他方を大気開放させながら、流入される空気の圧力（ｈ）と流量（Ｑ）を設定時間（ｔ）計測し、
異なる前記圧力（ｈ）に対してそれぞれ計測された流量（Ｑ）によって、圧力勾配ｉと流速ｖとの関係で原点を通る直線回帰を行い、有意な直線近似が得られる前記圧力勾配の範囲で、前記圧力勾配と前記流速の直線回帰式における回帰係数によって柱状供試体の透気係数Ｋを決定することを特徴とする透気性中詰め材の透気性確認試験方法。
但し、
Ｌ：前記柱状供試体の高さ
Ａ：前記柱状供試体の断面積
ｈ：流入される空気の圧力
Ｑ：流入される空気の流量
ｔ：計測時間
ｉ：圧力勾配
ｖ：流速
とすると、ｖ＝Ｑ／（Ａ・ｔ），ｉ＝ｈ／Ｌ
前記気密樹脂は高粘度のエポキシ系樹脂であることを特徴とする請求項１に記載された透気性中詰め材の透気性確認試験方法。
請求項１に記載された透気性中詰め材の透気性確認試験方法を実行するための試験装置であって、
試験対象の中詰め材によって形成され、側面に気密樹脂を塗布した設定高さ及び一定断面積を有する柱状供試体を、内部に支持する外枠と、
前記柱状供試体の開放された端面の一方に空気を流入させる空気流入パイプの放出端を前記端面の一方に向けて支持すると共に前記外枠を支持する支持台と、
前記空気流入パイプを流れる空気の流量を計測する流量センサと、
前記空気流入パイプに流入される空気の圧力を計測する圧力センサと、
前記空気流入パイプに空気を設定された一定圧力で流入し、設定圧力を可変調整できる空気供給装置とを備え、
前記外枠の内部に所定高さ気密樹脂を充填することで前記柱状供試体の端面の他方を大気開放した状態で支持することを特徴とする透気性中詰め材の透気性確認試験装置。